自動巡航汽車魯棒控制的研究

李世一，解淑英

（煙臺汽車工程職業學院，265500）

魯棒控制作為一種先進的控制系統起源于20世紀50年代，研究人員發現其有很大的潛力和穩定性，試圖將魯棒控制應用到空間技術、汽車制造以及社會生活的各個領域。但是受當時技術水平、經濟條件，及工業環境、外部干擾、誤差等緣故的影響，很難建立精準的模型，這在一定程度上影響了魯棒控制的研究進程。近幾年來，隨著科學技術日新月異，這種潛力巨大的控制技術才再次走入人們的視野，并有了了突飛猛進的發展。這項技術開始應用到汽車制造等各個領域，這些進步的產生關鍵在于其控制系統穩定性和平衡性的逐步提高，控制系統的穩定性和平衡性是影響控制系統效果的主要因素。

1 自動巡航汽車魯棒控制技術概述

1.1 汽車自動巡航系統概述

近幾年來,計算機科學技術逐漸被應用到汽車自動巡航系統中來,極大地提高了汽車自動巡航系統的先進性以及汽車本身的舒適和安全程度。汽車自動巡航系統，簡稱CCS，是一種可以使汽車的發動機在有利的轉速范圍內工作，使司機在車輛達到要求速度之后閉合開關，不用踩油門也能保持車速，使車輛保持固定速度行駛狀態的系統。它一方面可以在一定程度上減輕駕駛員的勞動量，防止因疲勞駕駛產生的意外事故，節省燃料,具有一定的經濟性；另一方面開關閉合之后發動機保持勻速轉動，可以減少尾氣的排放，保護環境，同時可以避免不必要的油門變動,在一定程度上提高了汽車的乘坐舒適性，特別是汽車在城間高等級公路或高速公路上行駛時,這種優越性就更為顯著。

汽車自動巡航系統之所以能發揮其巨大的作用，主要在于其有一個強大的控制器，就像大腦控制人體的所有行動一樣，控制器控制著整個系統的合理運轉和良好狀態。

1.2 魯棒控制

魯棒性分為穩定魯棒性和性能魯棒性兩種，是控制系統在一定的地域和時間域范圍，以及一定參數的攝動下保持其工作穩定效果的特性。以閉環系統的魯棒性作為目標設計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。現在我們所講的魯棒控制是指通過一定的控制算法的研究和實驗，保證控制系統在合理的范圍內滿足所有要求，由此所設計出來的控制器在保證參數不變的同時，也要保證系統的控制性能。

魯棒控制方法是指控制器在一定的動態范圍內，參考最差的情況，設計出質量最優的模型，INA方法、魯棒PID控制以及魯棒極點配置等都是其常用的設計方法。這種控制方法一般適用于對穩定性要求較高的領域，如飛機和空間飛行器等的控制。在過程控制應用中，也有一些控制系統適用于魯棒控制的設計方法，尤其是那些變化范圍較大，穩定裕度小的被控對象。

2 自動巡航汽車的魯棒控制研究創新

2.1 基于進化算法的魯棒控制系統設計

自從1991年以來，就已經有科學家利用當時先進的進化算法對魯棒控制系統的穩定性進行分析，隨之而后，一大批的科學家也把研究方向轉到進化算法在魯棒控制系統中的應用。它具有自組織、自適應和自學習的特性。因為在這種算法中，算法可以自身利用進化過程獲得的信息進行檢索，大大提高了工作效率，它應用適者生存的原則操作一群問題的潛在解逐次產生最優解的更優近似。

進化算法用于控制系統的魯棒性分析與設計一般可以概括為兩類,即直接設計法和間接設計法。在直接算法中，進化算法EA可以被用來優化搜索引擎，為一個特定的被控對象選擇一個最優的參數，以滿足魯棒性能的指標要求。而間接算法是在傳統的魯棒設計方法如特征結構配置、定量反饋理論等基礎上引入進化算法提供的最優化參數，是傳統設計方法和先進的進化算法的糅合、升級。和傳統的魯棒控制系統設計方法相比，這種設計方法以其簡便、易行，可操作性強，經濟高效等特點受到了極大的歡迎，能夠減少設計者的工作量，提高設計效率和設計的自動化程度。

2.2 H∞次優控制系統設計

傳統H∞輸出反饋控制設計的控制器階次要遠高于被控對象的階次,因而在實際工程應用中,高階系統的H∞的優化控制器不易實現,因而需要進行降階設計。

H∞次優控制器是為了縮短控制理論和實際工程應用的差距而縮小外部干擾、保證控制系統確定性的設計方法。我們也可以將進化算法和這種控制方法相結合，其過程是:首先應用Routh-Hurwitz準則得到控制器每一個參數的穩定區域以保證閉環系統的穩定性；其次在先前得到的控制器參數空間中確定子集,以保證在其中選取的控制器參數滿足魯棒穩定性約束條件；最后在上述子空間中尋找控制器參數，使得系統的H∞跟蹤性能最好,基于H∞次優控制系統設計的三自由度四轉向模型后視圖如圖1所示：

圖1 基于H∞次優控制系統設計的三自由度四轉向模型后視圖

2.3 雙閉環自動巡航智能控制系統

圖2 雙閉環自動巡航控制系統結構

控制器是控制系統的核心部件，在其中應用的控制技術將直接影響著控制系統的性能和控制器的整體效果。雙閉環自動巡航系統是指在汽車機械式自動變速器的基礎上利用節氣門的位置變動來控制，采用人工智能模糊控制系統控制內環，傳統的模糊控制系統控制外環，兩者構成的雙閉環自動控制整個汽車的自動巡航系統?？刂葡到y結構如圖所示：

采用節氣門位置變動的方法，并將人工智能技術和以往的模糊控制系統技術相結合，能夠保持系統的穩定性和精準度，且由于在實際的操作過程中不需要建立模型，能夠較好的提高工作效率和工程的安全、穩定度，系統實現方式簡單，魯棒性強。

在進行魯棒控制方法和雙閉環自動巡航智能系統結合的實驗之前，筆者及其相關的實驗人員進行了大量的資料搜集，同時，還走訪了一些資歷、經驗比較豐富的駕駛人員，并以他們為后期實驗的對象，進行了可靠的實驗。在實驗之中，所采用的主要控制器包括二維常規模糊控制器（該控制器的設計采用雙輸入，單輸出原則）和實地控制器，該控制器的主要作用是保持汽車高速運行下的穩定性能，進而獲得可靠的數據和有利于順利仿真的正確參數，在這種條件之下，再將參數代入上文中設計的三自由度四輪轉向模型之中——令狀態量x={實際值}，輸入量 u ={fr}，4ws狀態方程為:①mv(β+r)=Ffcosδf+Ffcosδ r,②Izr=lfFfcosδf-lrFfcosδr，并進行不同攝動狀態下的魯棒控制仿真，得出以下結果：車身側傾角響應曲線和整個系統的擺角均在理想范圍之內，并且相對比較穩定，抗外界干擾能力比較強，車身側傾角相應變化量基本趨近于零。

3 結語

本文提出了H∞ 魯棒控制方法與雙閉環自動巡航智能控制相結合的控制方案，并針對三自由度四輪轉向模型進行了控制器設計，實驗結果表明：魯棒控制方法和雙閉環自動巡航智能系統的相互結合，能夠保持整體系統的穩定性能，具有較好的魯棒性。

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